نیمه هادی نوع n و p

نیمه‌ هادی نوع n و p از مباحث پایه در الکترونیک است! در ادامه مسیر الکترونیک متوجه خواهید شد که تمام ادوات نیمه‌ مانند دیود و ترانزیستور از یک یا چند پیوند بین همین عناصر نیمه هادی‌های n و p  به وجود خواهند آمد.

سرمنشاء نیمه هادی نوع n و p

همانطور که پیش‌تر ذکر شد عناصر نیمه هادی همگی دارای یک ساختار اتمی مشخص و متقارن هستند و یک پیوند کوالانسی بین اتم‌های آن برای ایجاد تقارن و تکمیل لایه آخر شکل خواهد گرفت. حال باید بدانید این پیوند به حرارت بسیار حساس است و حرارت عادی اتاق نیز می‌تواند انرژی لازم برای انتقال الکترون‌ها از باند ممنوعه به باند هدایت را فراهم کند و این موضوع یکی از مواردی است که برای شناخت نیمه هادی نوع n و p باید در نظر داشته باشید.

در صورتی که یک الکترون از پیوند شبکه کریستالی جدا شود جای خالی آن باقی می‌ماند که بر خلاف خود الکترون دارای ذاتی مثبت است. این جای خالی را حفره گویـــند و همین حفره‌ها هستند که به همراه الکترون‌ها اساس نیمه هادی نوع n و p را می‌سازند. این حفره‌ها حاصل از گریز الکترون‌ها از شبکه هستند اما نه به صورت دائم بلکه در لحظه این اتفاق خواهد افتاد. یعنی در یک لحظه بسیار کوچک الکترون‌های آزاد بسیاری در جسم حضور خواهند داشت و بلافاصله توسط حفره‌ها جذب می‌شوند و این هم بخاطر این است که ذات مثبت حفره‌ها تمایل به جذب الکترون‌های منفی دارد.

نکته بعدی این است که در صورتی که نیروی محرکه خارجی (ولتاژ) وجود نداشته باشد این فرآیـند به صورت نامنظم اما مداوم اجرا خواهد شد. بنا براین یک نیمه هادی نوع n و p در حالت عادی هیچگونه فعالیت نظام مندی ندارد و اگر فعل و انفعالی هم در آن انجام شود بخاطر گرمای محیط است البته که واضح است اگر حرارت بالا برود فعالیت الکترون‌ها و حفره‌ها نیز شدید‌تر می‌شود و هرچه حرارت پایین تر باشد شدت فعل و انفعال نیز کم‌تر خواهد شد.

چگالی حفره‌ها

همانطور که گفته شد حفره‌ها جای خالی  الکترون‌هایی هستند که از پیوند خارج شده‌اند پس به ازای هر یک حفره یک الکترون داریم یا می‌توان گفت که تعداد حفره‌ها با الکترون‌ها برابر است. البته این موضوع در رابطه با یک نیمه هادی ذاتی و خالص صادق است و اگر این نیمه هادی ناخالصی داشته باشد دیگر این قانون صادق نخواهد بود. البته نیمه هادی نوع n و p بسته به نوعی که دارد می‌تواند دارای حفره یا الکترون بیشتری باشد.

در صورتی که نیمه هادی خالص بود عملا نمی‌توانیم بگوییم که نیمه هادی نوع n و p داریم و این نیمه هادی در یک حالت تعادل به سر می‌برد. از طرفی بر اساس یک سری روابط ریاضی می‌توان اثبات کرد که تعداد حفره‌ها دقیقا برابر تعداد الکترون‌‌ها است که به شرح زیر می‌باشــد.

نیمه‌ هادی‌های نوع n

نیمه هادی‌ها در حالت عادی نه منفی هستند نه مثبت بلکه خنثی هستند. در این صورت برای تولید نیمه‌ هادی‌ نوع n و p باید به آنها ناخالصی اضافه نمود! ناخالصی‌هایی با ظرفیت 3 یا 5 تایی. در صورتی که نیمه‌ هادی ما با ناخالصی 5 ظرفیتی مانند ارسنیک ترکیب شود، با دریافت الکترون از اتم‌های سیلیسیم سعی در تکمیل لایه آخر خود می‌کند اما بخاطر اینکه خودش 5 الکترون ظرفیتی دارد و از 4 اتم دیگر از هر کدام 1 الکترون می‌گیرد لایه اخرش باید میزبان 9 الکترون باشد که این غیر ممکن است پس 1 الکترون اضافه می‌ماند و حفره‌ای نیز وجود ندارد تا این الکترون را جذب کند پس الن الکترون به الکترون آزاد در جسم تبدیل می‌شود. در این صورت این نیمه هادی میزبان تعداد بیشتری الکترون نسبت به تعداد حفره‌هایش می‌شود و در اصطاح حامل‌های اکثریت جریان الکترون‌ها می‌شوند. توجه داشته باشید که هم حفره‌ها و هم الکترون‌ها می‌توانند جریان را انتقال دهنـد! این نوع نیمه هادی را نیمه هادی نوع n می‌نامند.

این نوع از نیمه هادی همان بخش از نیمه هادی نوع n و p است که در ساخت ادوات نیمه هادی کاربرد دارد و در ابتدای جلسه به آن اشاره شد. اما این نوع نیمه هادی نمی‌توانـد برای شما به تنهایی یکی از آن ادوات نیمه هادی را بسازند. برای ساخت دیود یا ترانزیستور یا هر المان نیمه هادی دیگری به یک نوع دیگر از نیمه هادی‌ها احتیاج داریم.

نیمه هادی نوع p

نیمه هادی نوع p حاصل ترکیب نا خالصی 3 ظرفیتی با نیمه هادی عادی است. در صورتی که یک نا خالصی 3 ظرفیتی با یک نیمه هادی ترکیب شود در زمان ایجاد پیوند کوالانسی 4 اتم با اتم ناخالصی تشکیل پیوند می‌دهند و در این صورت از هر اتم یک الکترون ظرفیتی به لایه آخر ناخالصی اضافه می‌شود که در این صورت ما 7 الکترون ظرفیتی داریم و جای یک الکترون خالی می‌ماند. این جای خالی یک حفره اضافه است و به دلیل ذات مثبت و تعداد بیشتر، کل نیمه هادی را مثبت و از نوع p می‌کند. اساس به وجود آمدن نیمه هادی نوع n و p به همین صورت است.

جریان نیمه هادی نوع n و p

مهم‌ترین نکته که در رابطه با جریان نیمه هادی نوع n و p باید در نظر داشته باشید این است که در صورت اتصال یک نیمه هادی نوع n و p به یک باتری، جریان کل برابر جریان الکترون‌ها و حفره‌ها می‌باشد. به این صورت که با در نظر گرفتن جهت قرار دادی جریان (خلاف جهت الکترون‌ها) و با دانش به این موضوع که الکترون‌ها در یک نیمه هادی برای جذب بار مثبت به سمت پایانه مثبت باتری رفته و حفره‌ها برای جذب بار منفی به سمت پایانه منفی باتری می‌روند می‌توان در یافت که در نیمه‌ هاد‌ی‌ها جریان عبوری از یک سمت با جریان دیگر که می‌تواند جریان الکترون‌ها یا حفره‌ها باشد جمع خواهد شد و یک جریان معادل یا کل را به ما تحویل خواهد داد.